运用单颗粒气溶胶质谱技术研究成都大气重金属(Pb,Cu,Zn)污染

摘要

大气气溶胶对空气质量、区域和全球气候变化，以及人类健康都有深远的影响。成都市作为西南地区的中心城市，随着城市化发展，空气质量状况不断恶化，灰霾天气频繁出现，大气气溶胶浓度显著上升。大气气溶胶成分复杂，特别是气溶胶中所含的有毒重金属对人体健康会产生严重危害。气溶胶中重金属的环境健康效应很大程度上取决于其物理化学性质，特别是粒径分布、化学成分、混合状态等。然而，气溶胶中重金属的来源、形成机制等异常复杂，导致其物理化学性质会随季节和天气类型不断变化。因此，要深入了解成都市大气气溶胶重金属污染特征，必须在线研究其物理化学特征。
　　在线单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪（SPAMS）具有灵敏度高和响应时间短等优点，能够方便地检测化学成分复杂的气溶胶颗粒。本论文主要利用SPAMS对成都市春、秋两季中不同天气类型下大气重金属(Pb、Cu、Zn)进行研究。采样时间为:春季清洁天2014-5-3至2014-5-6,2014-5-23至2014-5-26;春季污染天2014-3-15至2014-3-19,2014-3-24至2014-3-26;秋季清洁天2014-9-13至2014-9-19,2014-9-21至2014-9-25;秋季污染天2014-10-9至2014-10-10，2014-10-20，2014-10-23至2014-10-26。总体上污染天大气重金属污染比清洁天严重，两季中都观测到了三种重金属颗粒，表明成都市大气重金属污染现象是呈常态化存在的。运用自适应共振神经网络算法(ART-2a)对含重金属颗粒物数据进行质谱分类分析。
　　含重金属气溶胶颗粒普遍经历了二次老化过程，各重金属质谱信息中均出现了明显的二次无机物信号（硝酸、硫酸）;含重金属颗粒中，污染天相比清洁天，普遍出现了特殊的含氨颗粒(Ammonium);作为生物质燃烧的特征识别因子，富钾类颗粒(Rich-K)出现在所有重金属的质谱信息中，说明生物质燃烧是本地区大气重金属的一个重要来源;相比于春季，秋季重金属颗粒大多出现了高分子有机物(HOC)或者多环芳烃(PAHS)类物质，但在各自金属颗粒中所占比例区别较大，秋季清洁天中含铅颗粒HOC所占比例最高，为33％，其它秋季重金属颗粒中高分子有机物所占比例均小于10％;含尘颗粒在春、秋两季的重金属颗粒中均有出现，但秋季污染天条件下含尘的重金属颗粒所占比例提升明显，秋季污染天重金属Pb，Cu，Zn的颗粒中，扬尘所占比例分别为29％、21％和27％，远高于其它天气条件下扬尘在大气重金属颗粒中所占的比例，说明扬尘也是本地区重金属的重要来源，而且秋季污染天条件下，扬尘对大气重金属的存在有重要贡献。春季污染天重金属粒径相比清洁天而言，其颗粒物粒径有明显曾大趋势，含铅颗粒最大粒径由0.55μm增加到0.7μm，含铜颗粒最大粒径由0.5μm增加到0.58μm，含锌颗粒最大粒径由0.5μm增加到0.625μm;秋季重金属颗粒粒径与春季相比，最明显的区别是秋季重金属颗粒粒径在0.2μm以下有明显分布，而春季基本没有出现，由质谱信息可以看出，秋季重金属中含碳(有机碳OC，无机碳EC)颗粒的比例明显高于春季，说明颗粒物粒径受含碳颗粒类型的比重分布影响显著，而且含有无机碳的颗粒物粒径一般在0.2μm处有明显分布。综合含重金属颗粒的整体粒径信息，粒径最大的是富钾颗粒和含尘颗粒，粒径分布最大值在0.8～1.0μm居多;粒径分布最小的是含有元素碳的颗粒物。
　　根据特征元素讨论了重金属颗粒物可能的来源。交通工具排放和燃煤是本地区重金属的主要来源，其对重金属的贡献率在31％～72％范围内。其次是生物质燃烧带来的重金属污染，其所占比例在16～45％之间。扬尘也是成都市重金属的重要来源，其中秋季污染扬尘影响较为明显，对重金属颗粒的贡献率在20％以上。其它重金属来自包括化工厂（化肥厂）和垃圾焚烧等污染源。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 大气气溶胶简介

1．3 大气气溶胶重金属污染研究

1．3．1 大气重金属污染概述

1．3．2 大气重金属研究方法简介

1．3．3 大气重金属国内外研究进展

1．4 本文研究目标、内容及技术路线

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究创新点及意义

1．4．4 技术路线

第2章 仪器实验应用

2．1 气溶胶飞行质谱技术发展现状

2．2 仪器工作原理

2．3 颗粒物搜索法

2．4 ART-2a算法

2．5 实验采样

2．6 数据分析

第3章 气溶胶含重金属颗粒物污染特征

3．1 成都市大气污染现状分析

3．1．1 成都平原特殊的地理环境

3．1．2 成都地区大气污染污染状况及分布

3．1．3 成都市大气污染特点

3．2 成都春季气溶胶重金属颗粒物研究

3．2．1 春季清洁天

3．2．2 春季污染天

3．3 成都秋季气溶胶重金属颗粒物研究

3．3．1 秋季清洁天

3．3．2 秋季污染天

第4章 重金属污染来源讨论

4．1 春季重金属可能来源

4．1．1 含铅颗粒

4．1．2 含铜颗粒

4．1．3 含锌颗粒

4．2 秋季重金属可能来源

4．2．1 含铅颗粒

4．2．2 含铜颗粒

4．2．3 含锌颗粒

第5章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 本论文的不足与展望

致谢

参考文献